Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы
Любая физическая величина по характеру изменения ее значения может быть постоянной (если она имеет только одно фиксированное значение), дискретной (если она может иметь два или более фиксированных значений), или аналоговой (если она может иметь бесчисленное множество значений). Все эти величины могут быть преобразованы в цифровую форму.
Аналоговые сигналы
Аналоговым (т. е. непрерывно меняющимся во времени) называется такой сигнал, который может быть представлен непрерывной линией из множества значений, определенных в каждый момент времени относительно временной оси.
Значения аналогового сигнала произвольны в каждый момент времени, поэтому он может быть в принципе представлен как некая непрерывная функция (зависящая от времени как от переменной) либо как кусочно-непрерывная функция времени.
Непрерывные сигналы генерируются непрерывными процессами и системами. Это, например, ЭЭГ – возникает из-за электрической активности головного мозга, ЭКГ – вырабатывается электрической активностью сердца, выход датчика, например такого как датчик частоты вращения — тахогенератор и т.п.
Аналоговым сигналом можно назвать, например, звуковой сигнал, генерируемый обмоткой электромагнитного микрофона или ламповым акустическим усилителем, поскольку такой сигнал непрерывен и его значения (напряжение или ток) сильно отличаются друг от друга в каждый момент времени.
На приведенном ниже рисунке изображен пример подобного рода аналогового сигнала.
Аналоговые величины могу иметь бесконечное множество значений в определенных пределах. Они непрерывны и их значения не могут изменяться скачками.
Пример аналогового сигнала: термопара передает в аналоговом виде значение температуры в программируемый логический контроллер, который управляет с помощью твердотельного реле температурой в электрической печи.
Любой аналоговый сигнал может быть представлен в виде соответствующего ему цифрового эквивалента, при этом точность представления зависит от количества разрядов эквивалентного числа.
Для обработки аналоговых сигналов применяются логические элементы. Для взаимодействия электронных устройств, обрабатывающих аналоговые сигналы с устройствами, оперирующими двоичными (цифровыми) сигналами, применяют цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи.
Дискретные сигналы
Если некий сигнал принимает произвольные значения лишь в отдельные моменты времени, то такой сигнал называют дискретным. Чаще всего на практике применяются дискретные сигналы, распределенные по равномерной временной решетке, шаг которой называется интервалом дискретизации.
Дискретный сигнал принимает определенные не нулевые значения лишь в моменты дискретизации, то есть он является не непрерывным в отличие от аналогового сигнала. Если из звукового сигнала вырезать небольшие кусочки определенного размера через равные интервалы, такой сигнал можно будет назвать дискретным.
Дискретный сигнал состоит из последовательности выборок, которая в общем случае может принимать любое значение. Этот сигнал обычно создается путем дискретизации аналогового сигнала.
Ниже приведен пример формирования подобного дискретного сигнала с интервалом дискретизации Т. Обратите внимание, что квантуется лишь интервал дискретизации, но не сами значения сигнала.
Дискретные сигналы имеют два и более фиксированных значений (количество их значений всегда выражается целыми числами).
Пример простого дискретного сигнала на два значения: срабатывание путевого выключателя (переключение контактов выключателя в определенном положении механизма). Сигнал с путевого выключателя может быть получен только в двух вариантах — контакт разомкнут (нет действия, нет напряжения) и контакт замкнут (есть действие, есть напряжение).
В отечественной литературе переключательные устройства называются также «дискретными», «логическими», «устройствами релейного действия» или «релейными устройствами».
Преимущества дискретных устройств обусловлены во многом тем, что их элементы достаточно просты и надежны. В большинстве случаев они имеют всего два различных состояния: включено — выключено (реле), открыт — заперт (транзистор) и т. д.
Такие элементы могут формировать или перерабатывать сигналы, обладающие только двумя значениями: одно значение сигнала связано с одним состоянием элемента, второе — со вторым. Поэтому часто под названием «дискретный сигнал» подразумевают сигнал с двумя значениями. Физически это означает, что сигнал имеет импульсный характер: высший уровень — одно значение, низший — другое. Обычно эти уровни обозначаются 1 и 0.
Цифровые сигналы
Когда дискретный сигнал принимает только какие-то фиксированные значения (которые могут быть расположены по сетке с определенным шагом), такие что они могут быть представлены как количество квантовых величин, такой дискретный сигнал называется цифровым.
То есть цифровой сигнал — это такой дискретный сигнал, который квантован не только по промежуткам времени, но и по уровню.
Последовательности импульсов представляют последовательности цифр и могут рассматриваться как двоичные числа. Поэтому их называют цифровыми, а связанные с ними методы обработки таких сигналов и соответствующие устройства и системы также называются цифровыми.
Цифровой сигнал — это сигнал, который дискретизируется и впоследствии квантуется. Он состоит из последовательности выборок, которые могут принимать только ограниченное число значений, поэтому его можно представить последовательностью целых чисел.
Информация всегда теряется при преобразовании аналогового сигнала в цифровой (как при дискретизации, так и при квантовании). Однако, увеличивая частоту дискретизации и количество уровней квантования, можно приблизиться к исходному сигналу со сколь угодно малым отклонением.
Например, каждый из двух стереоканалов записи аудио компакт-диска может быть представлен как последовательность из 44 100 шестнадцатибитных чисел в секунду, а цифровой телефонный сигнал в ISDN в виде последовательности 8000 восьмибитных чисел в секунду.
Практически дискретные и цифровые сигналы в ряде задач отождествляются, и могут быть легко заданы в форме отсчетов с помощью вычислительного устройства.
В отечественной литературе по отношению к описанным сигналам, устройствам и системам используется чаще термин «дискретные». Термин «цифровые» используется реже. Это оправдано тем, что по смыслу последний термин лучше относить к конкретным приборам с цифровым отсчетом (цифровым вольтметрам, амперметрам и т. п.).
Аналоговые сигналы должны быть преобразованы в цифровой формат, прежде чем они могут быть интерпрети рованы микропроцессором.
На рисунке приведен пример формирования цифрового сигнала на базе аналогового. Обратите внимание, что значения цифрового сигнала не могут принимать промежуточных значений, а только определенные — целое количество вертикальных шагов сетки.
Цифровой сигнал легко записывается и перезаписывается в память вычислительных устройств, просто считывается и копируется без потери точности, тогда как перезапись аналогового сигнала всегда сопряжена с утратой некоторой, пусть и незначительной, части информации.
Обработка цифровых сигналов позволяет получать устройства с очень высокими характеристиками благодаря выполнению вычислительных операций совершенно без потерь качества, либо с пренебрежимо малыми потерями.
В силу этих достоинств, именно цифровые сигналы повсеместно распространены сегодня в системах хранения и обработки данных. Вся современная память — цифровая. Аналоговые носители информации (такие, как пленочные кассеты и т.д.) давно ушли в прошлое.
Аналоговый и цифровой приборы для измерения напряжения:
Но даже у цифровых сигналов есть свои недостатки. Их невозможно передать напрямую как есть, ибо передача обычно реализуется посредством непрерывных электромагнитных волн. Поэтому при передаче и приеме цифровых сигналов необходимо прибегать к дополнительной модуляции и аналого-цифровому преобразованию.
Меньший динамический диапазон цифровых сигналов (отношение наибольшего значения к наименьшему), обусловленный квантованностью значений по сетке, является еще одним их недостатком.
Существуют и такие области, где аналоговые сигналы незаменимы. Например, аналоговый звук никогда не сравнится с цифровым, поэтому ламповые усилители и пластинки до сих пор не выходят из моды, несмотря на обилие цифровых форматов записи звука с самой высокой частотой дискретизации.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы
Сигнал называют аналоговым, если он определен на непрерывной оси времени , и в каждый момент может принимать произвольные значения. Аналоговый сигнал может быть представлен непрерывной, или кусочно-непрерывной функции переменной . Пример аналогового сигнала показан на рисунке 1.
Если сигнал принимает произвольные значения только в фиксированные моменты времени , — целое число, то такой сигнал называется дискретным. Наиболее широкое распространение получили дискретные сигналы, определенные на равноотстоящей сетке , где — интервал дискретизации. При этом в моменты дискретизации дискретный сигнал может принимать произвольные значения. Если значения дискретного сигнала также берутся на фиксированной сетке значений, и при этом сами значения могут быть представлены числом конечной разрядности в одной из систем счисления, то такой дискретный сигнал называется цифровым . Часто говорят, что цифровой сигнал представляет собой квантованный по уровню дискретный сигнал. Примеры дискретного и цифрового сигналов также показаны на рисунке 1. Тонкая разница между дискретными и цифровыми сигналами дает возможность их отождествлять практически во всех прикладных задачах. Аналоговый сигнал может быть описан функцией времени, в то время как дискретный и цифровой сигналы могут быть заданы вектором отсчетов :
Указанные преимущества определили повсеместное распространение цифровых систем хранения и обработки сигналов. Но цифровые сигналы также имеют и недостатки по сравнению с аналоговыми.
Во-первых нет возможности передавать цифровые сигналы «как есть», поскольку передача сигналов чаще всего происходит при использовании электромагнитных и акустических волн, которые являются непрерывными во времени. Поэтому для передачи цифровых сигналов требуются дополнительные методы цифровой модуляции, а также цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
Другим недостатком цифровых сигналов является меньший динамический диапазон сигнала (т.е. отношение самого большого значения к самому маленькому), из-за квантования сигнала на фиксированной сетке значений.
В данном параграфе мы рассмотрим способ выборки дискретных значений аналогового сигнала. Структурная схема устройства дискретизации показана на рисунке 2. Данное устройство называется аналого-цифровой преобразователь (АЦП), потому что оно преобразует аналоговый сигнал в набор оценок дискретных значений , где — целое число, взятых через равноотстоящие промежутки времени .
Временны́е осциллограммы, поясняющие принцип работы устройства показаны на рисунке 3 (см. [1, стр. 475–476], или [2, стр. 438]).
На входе АЦП имеется аналоговый сигнал . Генератор импульсов формирует равноотстоящие стробирующие импульсы , которые управляют ключом, в результате чего на вход усилителя подаются короткие выборки сигнала длительности , взятые через интервал дискретизации .
Оценка дискретного сигнала может быть представлена в виде
Интегрируя на каждом интервале длительности стробирующего импульса получим оценку значения сигнала в момент времени . При конечной величине мы можем говорить об оценке значения сигнала в момент времени с некоторой погрешностью, ввиду изменения сигнала на интервале . Поэтому мы используем шапочку над обозначением , чтобы подчеркнуть приближенную оценку.
При уменьшении длительности погрешность оценки будет уменьшаться, и в пределе мы можем получить дискретный сигнал как:
Бесконечная сумма смещенных дельта-функций называется решетчатой функцией и обозначается [3, стр. 77]:
Тогда математической моделью дискретного сигнала будет произведение исходного аналогового сигнала на решетчатую функцию:
Графически модель дискретного сигнала , с использованием решетчатой функции показана на рисунке 4.
Для получения численных значений дискретного сигнала необходимо проинтегрировать дискретный сигнал (5) в окрестности :
В дальнейшем мы будем широко использовать данную модель дискретного сигнала для перехода от методов анализа и обработки аналоговых сигналов, к цифровым.
Пусть исходный аналоговый сигнал описывает изменение напряжения во времени и имеет размерность вольт . Вспомним, что дельта-функция Дирака имеет размерность, обратную размерности ее аргумента. Тогда решетчатая функция , согласно (4) имеет размерность , а размерность дискретного сигнала (5) будет .
Заметим, что значения дискретного сигнала, полученные из (6) как результат интегрирования дискретного сигнала в окрестности момента времени , будут иметь размерность исходного сигнала .
В данном разделе мы проанализируем спектральную плотность решетчатой функции . Для начала рассмотрим как периодический сигнал. Тогда можно представить в виде разложения в ряд Фурье:
Системы связи. Основные понятия, структурная схема и классификация систем связи
Информация в системе управления передается в виде сообщений. Под сообщениями понимается совокупность знаков, содержащих определенную информацию (совокупность сведений) и подлежащих передачи от источника к получателю. Сообщение — это форма представления информации. Примером сообщений являются: телеграмма, радиограмма, телевизионное изображение, радиолокационный сигнал, SMS, MMS, электронное письмо и т.д.
Сигнал, рассматриваемый как функция времени, может быть аналоговым или цифровым. Цифровым называется сигнал, интенсивность которого в течении некоторого периода поддерживается на постоянном уровне, а затем изменяется на постоянную величину (это определение идеализировано) (рисунок 16а). Аналоговым называется сигнал, интенсивность которого во времени изменяется постепенно, то есть в сигнале нет пауз или разрывов (рисунок 16 б.).
Сообщение Код ——> ОНО! -»
Вторичный (ВЧ) сигнал
Принятий Пришлый Регенерированный Код Сообщение ВЧ сигнал первичный сигнал сигнал
Рисунок 17 — Виды сигналов: а) цифровой; б) аналоговый
На самом деле, переход от одного уровня напряжения к другому не может быть мгновенным, а происходит за некоторый переходный период. Тем не менее, на практике цифровые сигналы хорошо приближены к идеальной модели с постоянными уровнями напряжения и мгновенными переходными. Примером аналогового сигнала может быть речь, а цифрового — набор двоичных единиц и нулей.
Термины «аналоговый» и «цифровой» приблизительно соответствуют терминам «непрерывный» и «дискретный». В сфере передачи данных эти два термина часто используют в трех контекстах: при рассмотрении данных, сигналов и передачи.
Определим данные как объекты, передающие смысл или информацию. Сигналы — электрическое или электромагнитное представление данных. Передача — процесс перемещения данных путем распространения сигналов по передающей среде и их обработки.
Системой связи называется совокупность технических средств, физической среды и методов, обеспечивающих передачу сообщения от источника к получателю. Физическим носителем сообщения является сигнал или совокупность сигналов, отражающих сообщение в процессе его передачи. Для передачи сообщений используются различные физические процессы, способные передаваться на расстояние (электромагнитные колебания, звуковые волны, электрический ток и т.д.).
Система связи состоит из источника сообщения, передатчика, канала связи, приемника и получателя сообщения. На рисунке 17 показана структурная схема системы связи.
Рисунок 17 — Структурная схема системы связи
Источником сообщения (ИС) могут быть как человек, так и устройство автоматического считывания информации (датчик считывания непрерывных (аналоговых) и дискретных (цифровых) сигналов) или средства вычислительной техники (например, компьютер).
Получателем сообщения (ПС) может быть человек, компьютер и периферийные устройства (сетевая печать).
Передатчик (П) преобразует исходные сообщения (текст, рисунок, фото, таблица и т.д.) в сигнал или совокупность сигналов, форма представления которых пригодна для передачи по каналу связи.
Приемник (Пр) производит обратное преобразование принятого сигнала в вид, удобный для восприятия получателем информации.
Каналом связи (КС) называется совокупность устройств, обеспечивающих передачу сигналов от передатчика к приемнику. В его состав входит: участки физических цепей, усилители, фильтры и др. устройства. КС представляет собой тракт движения сигнала от передатчика к приемнику. В состав КС входят линии связи, представляющие физическую среду, по которой передается сигнал. Помимо сигнала, несущего информацию, в КС возникают посторонние сигналы, называемые помехами или шумами. Накладываясь на полезные сигналы, они их искажают. Для исключения влияния помех на передаваемые сигналы, в состав КС входят специальные устройства, позволяющие выделить полезный сигнал, усилить его и подавить помехи.
Канал передачи данных определяется наличием минимум двух каналов связи, обеспечивающих передачу сигнала во взаимопротивоположных направлениях. Один из каналов связи в таком случае объединяет порты Тх («Transmit» (передача)) источника и Rx («Recieve» (получение)) получателя, а другой канал объединяет порты Rx источника и Тх получателя, соответственно (рисунок 18).
Общий случай канала передачи данных
Канал передачи данных с использованием пары оптических волокон
Линия передачи данных (кабель UTP)
Узел 1 Узел 2
Рисунок 18 — Примеры каналов передачи данных
В зависимости от среды распространения сигнала, для организации каждого из каналов могут быть использованы как одна, так и несколько физических линий связи. В частности, для обычного случая организации дуплексного канала передачи данных с использование оптических линий связи необходимо использование двух оптических волокон, каждое из которых представляет собой линию связи.
Для случая организации канала передачи данных с применением кабеля витой пары, необходимо использование всего одного кабеля, пары медных жил которого являются линиями связи каналов связи в составе канала передачи данных.
Существует множество видов каналов связи, среди которых наиболее часто выделяют (рисунок 19) каналы проводной связи (воздушные, кабельные, световодные и др.) и каналы радиосвязи (тропосферные, спутниковые и др.). Такие каналы в свою очередь принято классифицировать на основе характеристик входного и выходного сигналов, а также по изменению характеристик сигналов в зависимости от таких явлений, происходящих в канале, как замирания и затухание сигналов.
Рисунок 19 — Классификация каналов передачи данных
Классификация каналов связи показана на рисунке 20.
По типу среды распространения каналы связи делятся на проводные, акустические, оптические, инфракрасные и радиоканалы.
Каналы связи также классифицируют на:
Классификация каналов связи
Рисунок 20 — Классификация каналов связи
- — непрерывные (на входе и выходе канала — непрерывные сигналы),
- — дискретные или цифровые (на входе и выходе канала — дискретные сигналы),
- — непрерывно-дискретные (на входе канала — непрерывные сигналы, а на выходе — дискретные сигналы),
- — дискретно-непрерывные (на входе канала — дискретные сигналы, а на выходе — непрерывные сигналы).
Каналы могут быть как линейными и нелинейными, временными и пространственно-временными. Возможна классификация каналов связи по диапазону частот.
1. Кабельные линии связи — линии связи, состоящие из направленных сред передачи (кабели), предназначенных совместно с проводными системами передач для организации связи. Под организацией связи здесь подразумевается организация каналов: телефонной, факсимильной, технологической связи, сети передачи данных и др.
Кабельные линии по назначению (рисунок 21) подразделяются на внутри-площадочные, местные, внутризоновые, магистральные, международные:
- • впутриплощадочные — сети на территории одного объекта (порт, терминал, судоходная компания, судоремонтный завод, нефтебаза и др.), назначение — обеспечение технологической и производственной связью внутри объекта. Пример — имеется совокупность резервуаров для хранения жидких химикатов. В резервуарах есть датчики температуры, уровня и пр. Кабель, по которому передаются сигналы с датчиков в серверную для мониторинга и обработки будет входить в состав внутриплощадочных сетей.
- • местные — кабельные линии между зданиями в городе (разные предприятия — порт, судоходная компания, и т.д.) или близлежащими населенными пунктами (поселки, села и др.), назначение — обеспечение связью на местном уровне, например, каналы телефонной связи для присоединения ведомственной АТС к городской АТС.
- • внутризоновые — кабельные линии внутри одного края, области, назначение — обеспечение связью внутри данной зоны.
- • магистральные — кабельные линии проходящие (соединяющие) более одного субъекта, назначение — обеспечение связью между субъектами.
- • международные — кабельные линии проходящие через границу государств^), назначение — обеспечение связью между странами (например, глобальная сеть Интернет).
Рисунок 21 — Классификация кабельных линий по назначению
Кабельные линии состоят из узлов связи, необслуживаемых регенерационных (усилительных) пунктов — НРП (НУП), кабельной трассы.
Узел связи — сооружение связи, в котором установлено оборудование систем передачи. Бывают обслуживаемые, полуобслуживаемые и необслуживаемые. В обслуживаемых узлах связи ведется круглосуточное дежурство, днем может присутствовать инженерно-технический персонал. В полуобслуживае-мых узлах в рабочее время находится персонал, в нерабочее время узел закрывается. Обслуживание оборудования связи в необслуживаемом узле связи осуществляется по графику или по мере необходимости. Физически выглядит как здание или блок-контейнер.
Необслуживаемые регенерационные (усилительные) пункты (НР(У)П) — пункты в которых осуществляется регенерация (цифровая система передачи) или усиление (аналоговая, либо цифровая система передачи) сигнала. Физически представляет зарытый в землю на небольшую глубину контейнер (например, бочку), в который помещен регенератор или усилитель. Зарытый контейнер, обычно имеет надстройку (деревянную, кирпичную, железную или железобетонную). Так же встречается расположение регенератора или усилителя в верхней части надстройки. В городской черте возможно расположение НРП/НУП в здании, на подземной станции метрополитена или распределительном шкафу.
Помимо регенерационной/усилительной аппаратуры, на НРП/НУП может располагаться аппаратура питания (внешнего, либо дистанционного), аккумуляторные батареи, устройства отопления, вентиляции и кондиционирования, устройства освещения, устройства телеконтроля (контроль давления воздуха в кабеле и в баллоне, контроль закрытия дверей и крышек, контроль наличия воды в камере, контроль температуры, контроль влажности, контроль питания), аппаратура содержания кабеля под избыточным воздушным давлением, электрические компрессорные установки, баллоны со сжатым воздухом.
Кабельная трасса (трасса) — кабель, проложенный в грунте (чаще всего вне населенного пункта), в канализации (чаще всего по территории крупного населенного пункта). Сюда же входят кабельные колодцы, приямки, сигнальные столбики и знаки, вводно-кабельные помещения и прочие линейные сооружения.
Если на кабельную линию смонтировать систему передачи, то получиться сеть связи.
2. Акустический канал (волновод) — участок среды, ограниченный в одном или двух направлениях стенками или другими средами, в результате чего устраняется или уменьшается расхождение волн в стороны, поэтому распространение звука вдоль участка происходит с меньшим ослаблением, нежели в неограниченной однородной среде.
Искусственные акустические волноводы — обычно трубы, ограниченные звуконепроницаемыми стенками (например, органные трубы, вентиляционные каналы, туннели).
Естественные акустические волноводы — обычно слои среды: например, для низких частот звука океан представляет собой волновод в виде слоя воды, ограниченного с одной стороны грунтом, а с другой — свободной поверхностью воды. Акустический волновод может быть также образован вертикальной слоистой неоднородностью среды (например, подводный звуковой канал в океане): волны, пересекающие под малыми углами слой, в котором скорость звука имеет минимальное значение, заворачивают к нему обратно в результате рефракции в смежных слоях с большей скоростью звука, как бы отражаясь от этих слоев (см. Гидроакустика). В отличие от труб, в которых звук распространяется прямолинейно (вдоль оси трубы), звук в слое может также распространяться в виде цилиндрически расходящихся или сходящихся волн.
3. Оптическое волокно (рисунок 22) — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.
Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру сердцевины оптическое излучение распространяется по волокну в одной (основной, фундаментальной) моде и, как результат, отсутствует межмодовая дисперсия.
Рисунок 22 — Волоконно-оптический кабель
Существует три основных типа одномодовых волокон:
- 1. одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (SMF или SM, англ, step index single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи;
- 2. одномодовое волокно со смещённой дисперсией (DSF или DS, англ, dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание;
- 3. одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF, NZDS или NZ, англ, non-zero dispersion shifted single mode fiber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.
Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62.5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.
Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса. Профиль показателя преломления градиентного волокна может быть параболическим, треугольным, ломаным и т. д.
Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50, 62.5, 120 и 980 микрометров и оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.
4. Инфракрасный канал — канал передачи данных, не требующий для своего функционирования проводных соединений. В компьютерной технике обычно используется для связи компьютеров с периферийными устройствами (интерфейс IrDA).
В отличие от радиоканала и технологий, которые его используют, инфракрасный канал нечувствителен к электромагнитным помехам, и это позволяет использовать его в производственных условиях. К недостаткам инфракрасного канала относятся высокая стоимость приемников и передатчиков, где требуется преобразование электрического сигнала в инфракрасный и обратно, а также низкие скорости передачи (обычно не превышающее 5-10Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров возможно добиться существенно более высоких скоростей). В условиях прямой видимости инфракрасный канал может обеспечить связь на расстояниях в несколько километров, но наиболее удобен он для связи компьютеров, находящихся в одном помещении, где отражения от стен комнаты дает устойчивую и надежную связь. Наиболее естественный тип топологии используемый при этом — «шина», то есть переданный сигнал одновременно получают все абоненты. Ясно, что имея такое количество недостатков, инфракрасный канал не смог получить широкого распространения.
5. Радио (лат. radio — излучаю, испускаю, radius — луч) — разновидность беспроводной передачи информации, при которой в качестве носителя информации используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.
На передающей стороне (в радиопередатчике) формируется высокочастотный сигнал (несущий сигнал, несущая) определенной частоты. На него накладывается информационный сигнал, который нужно передать (звук, изображение и т. д.) — происходит модуляция несущей информационным сигналом. Модулированный сигнал излучается передающей антенной в пространство в виде радиоволн.
На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в приемной антенне, откуда он поступает в радиоприёмник. Здесь система фильтров выделяет из множества наведенных в антенне токов от разных радиопередатчиков и от других источников радиоволн сигнал с определённой несущей частотой, а детектор выделяет из него модулирующий информационный (полезный) сигнал. Получаемый сигнал может несколько отличаться от передаваемого радиопередатчиком вследствие влияния разнообразных помех. В таблице 1 представлены диапазоны радиоволн.
Понятие о сигналах
Аналоговые электрические сигналы — сигналы, изменяющиеся во времени непрерывно и способные принимать любое значение в некотором диапазоне напряжений, тока, частоты или иных характеристик (метрик). Аналоговая природа естественна для многих физических процессов и сигналов — звука, перемещения, изменения температуры и т.п. Поэтому метрики данных физических процессов/сигналов удобно (и естественно) переводить в аналоговые электрические сигналы с целью дальнейшей их преобразования электронными схемами. Например, температура 25.256 градусов Цельсия может быть закодирована как напряжение 2.5256 В. Самыми большими проблемами использования аналоговых сигналов являются:
— их чувствительность к помехам, приводящая к искажению значений (например, в вышеприведенном примере помеха 0.1В приведет к ошибке температуры на 1 градус Цельсия);
— высокие погрешности обработки каскадами электронных схем (усиления, интегрирования и т.п.), связанные с сложностью/невозможностью изготовления электронных компонентов (резисторов, конденсаторов, транзисторов. микросхем) с параметрами (сопротивления, емкости, коэффициентами передачи и т.п.) высокой и сверхвысокой точности (до тысячных процента) и стабильности в диапазоне температур, давлений и т.д.
Дискретные электрические сигналы — сигналы, для которых допускаются лишь значения из заранее определенного ограниченного множества. Значения указываются с допустимой погрешностью. Например, дискретный электрический сигнал имеет три допустимых значения напряжений: 0В, 5В и 10В, с допуском ±1В. Дискретными могут быть физические процессы и сигналы. Например, состояние управляющей клавиши (вкл/выкл — 2 значения) или датчика установленной передачи в коробке передач автомобиля (количество дискретных значений равно числу передач) или импульсы в детекторе элементарных частиц (есть/нет). Использование дискретных сигналов имеет важное преимущество — допустимость установки значения с некоторой значительной погрешностью, что резко повышает помехоустойчивость и снижает требования к точности параметров электронных каскадов.
Цифровые электрические сигналы — так обычно называют те дискретные сигналы, которые имеют только два допустимых состояния. Данные состояния (например, уровни напряжения 0В и 5В) кодируют две цифры — «0» и «1». Данные цифры эквивалентны допустимым значениям разрядов двоичного представления чисел (двоичный разряд -binary digits или bit), а также допустимым значениям переменных в алгебре логики (булевой алгебре) — «Истина» (TRUE или «1») и «Ложь» (FALSE или «0»), что позволяет кодировать эти числа в виде цифровых электрических сигналов. С помощью простейших транзисторных каскадов, работающих в самом простом — ключевом режиме (включен/выключен), можно реализовать основные функции алгебры логики (логические (булевы) функции) и, их (логических функций) посредством, основные математические функции (сложение, вычитание, умножение, деление) для чисел в двоичном представлении. Существуют различные варианты схем хранения (памяти) для двухуровневых (цифровых) значений. Двухуровневый цифровой сигнал легко передавать на значительные расстояния при значительных помехах (например, «1» — напряжение = 10±5В, «0» — напряжение = 1.5±1.5В), причем не только по электрическим проводам, но и по каналам других типов, например по оптоволоконному кабелю («свет» включен/выключен).
Различают элементы с различными спо¬собами электрического кодирования двоичной информации;
• потенциальные,
• импульсные,
• импульсно-потенциальные.
При потенциальном способе кодирования при положитель¬ной логике за единицу («1») принимается высокий потенциал, за нуль («О») — низкий потенциал. Сигнал сохраняется неизмен¬ным на время не менее одного периода следования сигналов синхронизации (рис. 1, а).
При импульсном кодировании двоичной информации чаще всего «1» соответствует импульс, синфазный с сигналом син¬хронизации, а «О» — отсутствие импульса; значение сигнала в паузе между сигналами синхронизации не рассматривается (рис. 1, б).
Одной из разновидностей импульсного способа является ди¬намическое кодирование сигналов, когда единице соответствует последовательность импульсов между двумя импульсами син¬хронизации, а их отсутствие соответствует нулю (рис. 1, в).
Все эти свойства позволили положить цифровые сигналы в основу современных вычислительных устройств, в частности, микропроцессоров, и в основу систем хранения и передачи данных.
ЛОГИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ
Для кодирования значений логических переменных или двоичных разрядов (битов) обычно используется напряжение. Ток, частота и другие характеристики сигнала тоже применяются, но только в специальных случаях — в основном при передаче данных или как удобный вариант сопряжения электрических каскадов.
Допустимые уровни напряжения соответственно их значениям условно называют ВЫСОКИМ (HIGH) и НИЗКИМ (LOW). Как говорилось выше, уровень соответствует не одному, а диапазону значений напряжений: например, 2,5.5В — ВЫСОКИЙ уровень, 0.1 В — НИЗКИЙ уровень, но для удобства указывают только «номинальный» (обычно крайний по значению) уровень, например, 5В и 0В. Следует понимать, что НИЗКИМ уровнем понимают именно низкое значение напряжения, а не полное отсутствие сигнала, так как такой вариант может возникнуть при обрыве на линии.
Двум указанным уровням напряжения можно сопоставить пару логических значений (логических состояний, двоичных цифр).
Если ВЫСОКИЙ уровень напряжения цифрового сигнала соответствует значению «1» или «ИСТИНА», а НИЗКИЙ уровень напряжения соответствует значению «0» или «ЛОЖЬ», то такой способ кодирования логической переменной называется ПОЗИТИВНОЙ (ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ) ЛОГИКОЙ.
ЕСЛИ ВЫСОКИЙ уровень напряжения цифрового сигнала соответствует значению «0» или «ЛОЖЬ», а НИЗКИЙ уровень напряжения соответствует значению «1» или «ИСТИНА», то такой способ кодирования логической переменной называется НЕГАТИВНОЙ (ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ) ЛОГИКОЙ.
Тип логики (ПОЗИТИВНАЯ или НЕГАТИВНАЯ) является не только характеристикой собственно цифрового сигнала, но также и характеристикой цифрового элемента (блока, схемы), который обрабатывает данный сигнал исходя именно из такого способа его кодирования. Например, элемент популярной логической микросхемы SN7408 в документации полностью именуется «двухвходовой элемент «И» с позитивным кодированием сигналов». Если же использовать негативное кодирование, то функция данного элемента изменится на «ИЛИ».
Современная элементная база и схемотехника в целом ориентирована на позитивную (положительную) логику. Однако в некоторых случаях негативная (отрицательныя) логика может оказаться более удобным способом кодирования цифровых или логических значений. Например, схема определения нажатия кнопки на клавиатуре часто построена таким образом, что ВЫСОКИЙ уровень вырабатывается, если кнопка не нажата, и НИЗКИЙ — при нажатии кнопки. То есть, если кодировать факт нажатия кнопки как «ИСТИНА» и при этом вырабатывается НИЗКИЙ уровень сигнала, то получаем негативное (отрицательное) кодирование. Часто удобство негативной логики для сигналов цифровых элементов определяется особенностями внутренней схемотехники этих элементов.
Чтобы не путаться с тем, какие элементы в схеме используют позитивное кодирование, а какие негативное, принято соглашение всеми элементами в схеме используется один тип кодирования сигналов (например, позитивное), а если на входе или выходе какого-нибудь элемента должен формироваться сигнал с негативным кодированием, то он преобразуется из/в позитивный путем инвертирования. Такие инвертированные сигналы обозначаются на схемах чертой над названием сигнала (знак булевой операции «отрицание»), а вход или выход элемента, на котором выполняется инверсия сигнала (зачастую это мнимое инвертирование — схема использует внутри себя непосредственно негативно закодированный сигнал), обозначается кружочком.
Примечания:
1) В силу большей естественной воспринимаемости (принцип «большему соответствует большее») и распространенности положительной логики на схемотехническом сленге часто называют ВЫСОКИЙ уровень напряжения — «1», а НИЗКИЙ уровень напряжения — «0». Таким образом, в случае использования отрицательной логики может возникнуть путаница: говоря о «единице на сигнальной линии», подразумевают ВЫСОКИЙ уровень напряжения, который на самом деле соответствует логическому значению «0».
2) Термины «позитивная» логика и «положительная» логика, а также «негативная» и «отрицательная» логика эквивалентны и в различных комбинациях встречаются в литературе. Первоисточник — английские слова «positive» и «negative». Так же встречается вариант «прямая»-«инверсная» логика (подразумевается. что сигнал с негативной логикой («инверсный») может быть получен путем инверсии сигнала с позитивной логикой («прямого»).
ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ
Параметрами реальных цифровых сигналов, наиболее важными для схемотехнического проектирования, являются:
— Диапазон напряжений для логических «0» и «1», для выходов логических элементов/схем и для входов цифровых элементов/схем;
— Нагрузочная способность (коэффициент разветвления по выходу) выходов цифровой схемы — fanout;
— Длительность переключения состояния — время измерения состояния сигнала с НИЗКОГО уровня на ВЫСОКИЙ и наоборот (перехода из логического «0» в «1» и наоборот) — transition time;
— Временная задержка цифрового сигнала при «прохождении» через логический элемент/схему — propagation delay.
Диапазоны напряжений для логических «0» и «1».
Так как именно напряжение используется для кодирования значений «0» и «1», то диапазон напряжений для логических «0» и «1» являются основным параметром цифровых схем. При этом каждому из логических уровней «0» и «1» соответствуют не фиксированные значения напряжения, например, 0В или 5В, а некоторый диапазон напряжений. Например, для микросхем семейства ТТЛ логическому «0» будет соответствовать напряжение, попадающее в диапазон от 0В до +0.8В, а логической «1» будет соответствовать напряжение в диапазоне от +2В до +5В. Кодирование логических уровней диапазонами сделано потому что:
1) Позволяет использовать цифровые элементы/схемы с достаточно значительными, допусками параметров входных и выходных каскадов, что сильно удешевляет их производство.
2) Допускает колебание параметров элементов/схем и соответствующих цифровых сигналов за счет изменения температур, электрической нагрузки и напряжения питания схем и т.п.
3) Позволяет игнорировать влияние шумов — паразитных напряжений, которые добавляются/вычитаются из рабочего напряжения при «прохождении» его через схему. Шумы возникают за счет емкостных и индуктивных связей между сигналами в схеме, помех приходящих по подключенным внешним цепям и цепям питания, за счет электромагнитных наводок.
Диапазоны напряжений цифровых сигналов, генерируемые выходами цифровых схем и воспринимаемые входами схем, делают разными. Диапазон, воспринимаемый входами более широкий по сравнению с диапазоном выходных сигналов, и диапазон выходов целиком перекрывается диапазоном входов, оставляя запас по границе минимального и максимального напряжений. Это гарантирует, что выходной сигнал вырабатываемый одной цифровой схемой и подаваемый на вход другой будет правильно восприниматься даже в условиях помех. Например, выход вырабатывает ВЫСОКИЙ уровень в диапазоне 4.5В — 5В, а вход будет воспринимать ВЫСОКИЙ уровень в диапазоне 3.5В-5.5В. Поэтому, если к выходному напряжению ВЫСОКОГО уровня равному 4.5В добавится помеха 1В, то суммарное напряжение будет 5.5В и будет воспринято входом верно — как ВЫСОКИЙ уровень.
Между диапазонами ВЫСОКОГО уровня и НИЗКОГО уровня располагается так называемая «мертвая зона». В пределах мертвой зоны производитель не гарантирует корректное восприятие уровня сигнала. Около середины мертвой зоны (но не точно) располагается пороговый уровень Шх.п (Vin.t, threshold voltage), ниже которого уровень сигнала на входе воспринимается как НИЗКИЙ, а выше — как ВЫСОКИЙ. Номинальное значение Цп определяется документацией на электронный компонент (микросхему), но реальное значение может смещаться в рамках мертвой зоны в зависимости от особенностей конкретного образца (микросхемы), от температуры, от старения компонента, от напряжения питания и других параметров.
Итого: среди основных параметров цифровых схем должны быть заданы следующие напряжения цифровых сигналов:
— Для цифровых входов:
— ивх.О.мин. (VIL.min) — минимальное напряжение, воспринимаемое как «0»;
— Uвх.0.макс.(VIL.max) — максимальное напряжение, воспринимаемое как «0»;
— ивхЛ.мин.(Ущ.тт) — минимальное напряжение, воспринимаемое как «1»;
— ивхЛ.макс.(Ущ.тах) — максимальное напряжение, воспринимаемое как «1»;
— ивх.п (VIT) — напряжение переключения (threshold voltage), значения выше которого воспринимаются как «1», а ниже — как «0».
— Для цифровых выходов:
— ивых.0 (VoL.typ) — типовое напряжение, которое устанавливается при выводе «0»;
— ивых.О.мин.(Усх.тт) — минимальное напряжение, которое может быть установлено при выводе «0»;
— ивых.0.макс.(\^Л.тах) — максимальное напряжение, которое может быть установлено при выводе «0»;
— ивыхЛ(УоШур) — типовое напряжение, которое устанавливается при выводе «1»;
— ивыхЛ.мин.(УОН.тт) — минимальное напряжение, которое может быть установлено при выводе «1»;
— ивых.1.макс. (VOH.max) — максимальное напряжение, которое может быть установлено при выводе «1».
Указанные напряжения зависят от схемотехники и параметров выходных и входных электрических каскадов цифровых схем.
Еще одна особенность/проблема — это использование цифровых микросхем с различными напряжениями питания. Дело в том, что при изменении напряжения питания микросхем, изменяются и уровни напряжения высокого и низкого уровня (см. рисунок ниже). На нынешний момент в цифровой технике наиболее распространенными являются напряжения питания 5В, 3.3В, 2.5В, 1.8В. Необходимость снижения напряжения питания вызвана многими причинами, основными из которых являются снижение потребляемой и выделяемой мощности, повышение быстродействия схем, уменьшение физических размеров транзисторов на кристалле интегральных микросхем.
Видно, что уровни схем с различным питанием не совместимы между собой. При этом их часто приходится использовать совместно в одной схеме. Например, электропитание микропроцессора может быть 5В, а питание подключенных к нему микросхем — 3.3В. И аналогов с иным питанием не производится! В таком случае добавляют специальные каскады/микросхемы преобразования уровней напряжения цифровых сигналов. Иногда эти каскады встроены в микропроцессоры. Иногда удается добиться частичной совместимости уровней, например, микросхема с питанием 3.3В допускает подключение к ней входных сигналов с напряжением до 5В с корректным распознаванием ВЫСОКОГО и НИЗКОГО уровней. Обратного подключения может не допускаться, например выходов «3.3В» ко входам «5В».
Нужно отметить, что так как любое совместное использование схем с различными уровнями напряжений это потенциальный источник ошибок и часто причина усложнения схемы, то, без особой необходимости, стараются не делать смешанных схем.
Нагрузочная способность (коэффициент разветвления по выходу)
Нагрузочная способность выхода цифровой схемы показывает, какое количество входов цифровых схем может быть подключено к данному выходу без перегрузки выходных каскадов и без искажения уровней цифрового сигнала для входов. Нагрузочная способность зависит и устанавливается для пары типов «выход-вход». Например, для выхода типа X устанавливается количество подключаемых входов типа У и количество подключаемых входов типа Z и т.п. Нагрузочная способность может различаться для уровней ВЫСОКИЙ и НИЗКИЙ, но обычно указывается только одно — меньшее значение.
Типовая нагрузочная способность — 20 входов того же типа, что и выход. Если к выходу одного типа подключены входы другого типа, то соотношение изменяется.
Ниже перечислены отрицательные последствия перегрузки выходов:
— Выходное напряжение НИЗКОГО уровня может превысить Ивх.О.макс. и НИЗКИЙ уровень будет определен как ВЫСОКИЙ;
— Выходное напряжение ВЫСОКОГО уровня может быть ниже ИвхЛ.мин. и ВЫСОКИЙ уровень будет определен как НИЗКИЙ;
— Время изменения уровня с НИЗКОГО на ВЫСОКИЙ и обратно превышает значение, допустимое спецификацией данной схемы;
— Задержка распространения сигнала через схему превышает значение, допустимое спецификацией данной схемы;
— Перегрев элементов схемы из-за повышенного тепловыделения, возникающего из-за перегрузки. В результате может возникнуть изменение параметров схемы (уровней напряжения, нагрузочных способностей, параметров быстродействия) или физическая порча перегретых элементов.
Длительность переключения состояния
В идеальном случае ВСЕ выходы цифровой схемы или ее элемента изменяют свое состояние мгновенно и одновременно. Однако реальные выходы не могут моментально переключиться с ВЫСОКОГО на НИЗКИЙ уровень и наоборот: необходимо время на перезаряд паразитных емкостей элементов цифровой схемы или емкостей и индуктивностей проводников на плате. В итоге на рисунке идеальный сигнал (a) приобретает реальную форму (с). Условное изображение на временных диаграммах «постепенного перехода» выхода цифровой схемы из состояния в состояние показано на (b).
Время перехода с НИЗКОГО уровня в ВЫСОКИЙ (Tr) называют «длительностью положительного фронта», иногда просто «длительность фронта», или rise time. Время перехода с ВЫСОКОГО уровня в НИЗКИЙ (Tf) называют «длительностью отрицательного фронта», или «длительностью спада», или fall time. Эти времена обычно близкие по значению, но немного различаются у выходов цифровых схем. Для различных типов выходов (ТТЛ, КМОП и других) эти времена могут различаться в разы. Длительности переходов возрастают при подключении большего числа входов к выходу. Это объясняется, в основном, ростом значения емкости, подключенной к выходу за счет входных емкостей входов. Для наиболее распространенных на сегодня типа КМОП длительности переходов находятся в пределах 5-10 ns для типового числа подключенных входов. Для быстродействующих каскадов «внутри» СБИС процессоров, памяти и т.п. это время уменьшается до десятых — сотых наносекунды.
Задержка перехода является отрицательным фактором функционирования цифровых схем и, наряду с задержкой распространения сигнала, значительно усложняет их разработку. Основные причины этого:
— нахождение выхода в неопределенном состоянии приводит к возможности некорректного срабатывания входа, причем многократного;
— рассинхронизация в работе элелементов/частей цифровых схем;
— повышенное энергопотребление во время нахождения в неопределенном состоянии.
Задержка распространения сигналов.
Задержкой распространения сигнала через элемент (propagation delay, tp) называют время между фронтом (перепадом) цифрового сигнала на входе элемента и вызванным им (входным фронтом) перепадом сигнала на выходе элемента. Задержка распространения вызвана временем срабатывания транзисторных ключей внутри элемента. Она будет больше, чем больше количество таких ключей по пути распространения сигнала внутри элемента, т.е. количество последовательных каскадов. Задержка распространения может быть разной для перепада на выходе с НИЗКОГО на ВЫСОКИЙ уровень (tpLH) и для перепада с ВЫСОКОГО в НИЗКИЙ уровень (tpHL).